Los lentes y espejos con superficies de forma libre permiten a los diseñadores enfocar la luz dentro de dispositivos ópticos que son más livianos, Mas Compacto, y más eficaz que nunca.

Pero hasta ahora Determinar qué superficies de forma libre funcionarán mejor, si es que funcionarán, en una configuración determinada de espejos y lentes ha sido un proceso de prueba y error que lleva mucho tiempo y, a menudo, es costoso.

Ya no tiene que ser así.

En un papel en Comunicaciones de la naturaleza , autor principal Aaron Bauer, un ingeniero de investigación senior en el Centro de Óptica de Forma Libre (CeFO) de la Universidad de Rochester, combina teoría y práctica en un método paso a paso que elimina gran parte de las conjeturas.

"Aaron ha desarrollado un proceso para diseñar con superficies de forma libre que se pueden aplicar de manera muy general, "dice el coautor Jannick Rolland, Director de CeFO y profesor Brian F. Thompson de Ingeniería Óptica. "Es realmente hermoso e incluso a veces se siente mágico".

Ella cree que los hallazgos ayudarán a acelerar la adopción de ópticas de forma libre en la industria. "La gente ya no dirá 'Oh, es demasiado caro de construir con ópticas de forma libre, '", dice." Porque ahora puedes hacer algo que puede costar una décima parte de lo que hubiera costado de otra manera ".

Sentar las bases

Mientras los espejos y las lentes se hayan empaquetado juntos en telescopios, espectrómetros, y una gran cantidad de otros dispositivos ópticos, el rendimiento se ha definido por lo bien que esos elementos pueden mantener un haz de luz enfocado con una "aberración" mínima.

Tradicionalmente, Los diseñadores ópticos han confiado en superficies ópticas rotacionalmente simétricas, porque su diseño y fabricación fue relativamente sencillo.

En los últimos 20 años, avances en el micro fresado de alta velocidad, pulido de lentes controlado por ordenador, y grabado con haz de iones, entre otras tecnologías, han hecho que las superficies asimétricas de forma libre sean más factibles.

En un artículo de 2014, Kyle Fuerschbach, ex miembro del Rolland Lab, sentó el marco teórico para la teoría de aberraciones de forma libre.

"Pero todavía no teníamos un proceso sistemático para diseñar con esa teoría, "Dice Rolland.

Poniendo dos y dos juntos

Bauer, mientras tanto, trabajaba junto a Fuerschbach, diseñar una pantalla para llevar en la cabeza utilizando superficies de forma libre.

"Noté que había patrones muy comunes de aberraciones que siempre aparecían, y limitar mi sistema para que no vaya más lejos, "Dice Bauer. Además, "esos patrones de aberración coincidían con los que Kyle predijo que serían corregidos por superficies de forma libre. Puse dos y dos juntos ".

El método que se le ocurrió comienza con la "geometría de plegado" inicial (alineación de espejos y lentes) contemplada para un diseño, y luego, basado en un análisis de las diversas aberraciones producidas por esa alineación, predice:

1. si las superficies de forma libre pueden minimizar esas aberraciones y, si es así,
2. qué superficies de forma libre deben usarse para obtener el máximo efecto.

"Las superficies de forma libre no son una solución universal para corregir todas las aberraciones, "Observa Bauer". lo que hace nuestro método es permitir que los diseñadores analicen todas estas geometrías antes de tiempo, para predecir si habrá una buena solución ".

Eso es mucho mejor que el enfoque de "fuerza bruta" en el que "las personas prueban heurísticamente varias superficies de forma libre en un diseño, "Dice Rolland." Incluso si finalmente funciona, podría terminar con un sistema donde la salida de las superficies es mucho mayor de lo que sería de otra manera, porque todas esas superficies de forma libre pueden estar luchando entre sí. Y si no funciona no hay ningún lugar a donde ir como diseñador ".

Al usar el método de Bauer en su lugar, ella dice, "podrá diseñar algo mucho más simple, y eso será más fácil de fabricar y probar. Es más, el método proporcionará de forma rápida e inequívoca una idea de por qué una geometría determinada podría estar intrínsecamente limitada, que es esencial para los diseñadores ".